（固体力学专业论文）细胞力学实验图象处理方法及平台研究.pdf

y 8 3 0 1 。6 细胞力学实验图像处理平台和方法的研究 生物力学专业 博士研究生李晓宁指导教师陈君楷 通过备种力学装置对体外培养的活细胞施加机械力，足l 旧i 细胞力学研究 的j j 要途径。在力学刺激下活细胞将发生多种适应性变化，小旧的力学环境其 变化的程度彳i 尽相嗣。细胞形态学上的变化是最直观的变化，它预示并隐含着 细胞助能h 门变化，运用图蒙分析系统，定量研究细胞和虹细胞结构的运动和 彤念的动态变化特性，有助 二理解力学刺激和细胞生长的关系，也有助_ 丁：理解 纠恺蝻变的机理。但是，细胞力学实验中针对的足小能染色的生物活细胞圈致， 幽敦凼细胞种类而异，3 4 d a _ 图象性质随实验条件的变化1 ：变化。迄今为止尚没 仃个图象分析系统适用j 二所有的图象分析。鉴j ：此，乖义讣对变变应力环境 卜的细胞剪切力实验和细胞膜式张应力实验，丌展了细胞力：学实验图象处理平 台利方法的研究。 钊刈剪切力环境卜内皮细胞的形态变化，本文提出了艇个反映细胞彤念变 化述率的指标，拉1 i | 妖度叫问变化牢和方向角时问变化率，j 。以综合表征细胞 形态学变化的快慢。 h 象分割是图致处理过程l 】最为幽难也灶最为天键t y t e 4 。木文深入分析 了细胞力学实验。细胞图象的特点，钳对细胞尤交叠的罔缘，提出r 婊j 二微分 边缘榆测算r 的圈缘分割技术路线，j t 仃8 个步骤。依次为刚象增强、扶度化、 消除光晕、c a n n y 边缘检测、数学形态学膨胀、区域填充、r 滑边缘、形态学重 建。针对交叠现象，“重的细胞图象，提m 了綦j ：w a t e r s h e d 的的博象分割技术路 线，l 有7 个步骤。依次为图象增强、狄度化、形态学光溯校l ：分离细胞0 背 4 - 史量j q 彖l ! i 然科学壤金重 j 螽i jc n o1 0j3 2 0 2 ( 3 ) 嚣】教仃舟，野川纠饨鹰上jj 矗蹯汁划城 n ( 】3 0 8 7 0 2 3 i ) 镪毗 景、彤态学霹建上噪、距离转换、提取m r r 降 、1 t c s h e d 转换，初步史现 f 对交叠细胞f 3 - j 5 ) - ； 。 奉文使用o l y m p u si x 7 0 倒置相差显微馕观察细胞图象，采朋两种采集疗 采集细胞数宁图象，建立了细胞力学实验的罔象获取与处删! 硬件、f 台：一科r 震 求山- 匙累刚j y c 一( 2 6 8 0 ：模拟c c d 配合v i g a9 0 0 0 9 图缘采集卜，另种力 聚川p i x e r a15 0 e s 世数二显微c c d 。并u 建立了显微镜照明白动控制系统， 以按j 捕获 盐定，定时接通显微镜照明f u 源减少显微镜照明灯泡的损耗。实 现r q i l ! 也图蒙采集的朽! 控化，使i _ | j 抒j 以根槲。史验需要设定捕狭方案，如啦帧 捕扶、多帧捕获和视频胬象流捕获，侵j 。英现无入职、j ：? 本文使用v is u a lc - * 6 0 开发环境，建立了细胞图象处王 ! 的软件平台。 它足个集成化的软件包，将图像采集、文件管理、图像处理、特征提取、参 数测吊以及结果输h i 等多项功能有机地组织万一个集成j i ，f 、境中。l l 于c + + 集成了 f 听阳对象技术，陔平台功能模块很容易实现功能扩充和代码移植。 运用逢立的躅象处理硬件平台，采集多个实验的细胞图象。结果表明，模 拟c c l 方案虽然分辨率不高，但是前：采集细胞的视频阁象方l 酊具有优势：专用 彀1 i ：5 & 微( 办案分辩率高光灵敏度高，罔象采集数据损耗小，比较适合目1 1 胞静态图象采集。分别采用两种分割技术路线分割细胞图象，得到的细胞轮廓 线吁细胞实际边界比较吻合。运用丌发的图象处理系统，丌展了大鼠t 动脉j f l 竹内歧垒 l 魈f l ：斌鲤脉动犬剪切九环境f 的肜态学研究，1 丈验结果表明，罔象处 ，j j 系统可以胜任细胞f , j 形奎学参数的定萤分析。 关键词：钏胞力。，i 刘象分割，定量分析，流域转换j 眵态学歪建，翦应力 s t u d y o nt h em e t h o d sa n dp l a t f o r mo f i m a g ep r o c e s s i n g f o r c e l l u l a rb i o m e c h a n i c a i e x p e r i m e n t s b i o m e c h a n i c s p h ，d c a n d i d a t el ix i a o n i n g s u p e r v i s o r c h e nj u n k a i a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es t a g g e r i n gc o m p l e x i t yo ft h ei nv i v oe n v i r o n m e n t ，s y s t e m a t i c s t u d yo f 血ec e l l u l a rr e s p o n s et om e c h a n i c a ls t i m u l a t i o n sh a sr e l i e dh e a v i l yo nt h e l l s eo fi nv i t r op r e p a r a t i o n s l i v i t a gc e l l sa n d e rm e c h a n i c a ls t i m u l a t i o n sc a nm a k e a d a p t i v ec h a n g e sa n d i tm u s tb er e c o g n i z e dt h a td i f f e r e n tb i o m e c h a n i c a ls t i m u l a t i o n s c a l i n d u c ed i f i e r e n tc e l l u l a rc h a n g e s m o r p h o l o g i c a lc h a n g ei st h em o s ti n s t i n c t i v e o n ea n di tc a na l s ob ea ni n d i c a t o rf o r t h ef u a c t i o n a l c h a n g e s i nc e l l s n l e q u a n t i t a t i v es t u d yo nc e l l u l a ra n ds u b - c e l l u l a rm o r p h o l o g ya n dm o v e m e n tb yi m a g e a n a l y z i n gs y s t e mi s u s e f u ln o to n l yi nt m d e r s t a n d i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e nf o r c e s i m u l a t i o na n dc e l l u l a r g r o w t h b u ta l s o i n c a t c h i n g o nc e l l u l a r p a t h o l o g i c a l m e c h a n i s m h o w e v e r , f e wi m a g ea n a l y s i ss y s t e m sa r ef o a n dt os u i t a b t ef o ra l lk i n d s o fi m a g e s ，s i n c ei m a g e s ，e s p e c i a l l yt h eb i o l o g i c a ll i v i n gc e l l u l a ri m a g e s ，w h i c ha r e s o u r c e d b y d i f f e r e n tm e t h o d sh a v ed i f i e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n g t ot h i s c o n d i t i o n ，af l e wi m a g e p r o c e s s i n gp l a t f o r mt oa n s l y z et h ec e l l u l a rc h a n g e si n d u c e d b ys h e a rs t r e s sa n dt e n s i l es t r e s sh a sb e e ns e tu pi no u rl a ba n dt h ei m a g e p r o c e s s i n g m e t h o d sf o rc e l l u l a rb i o m e c h a n i c a le x p e r i m e n t sh a v eb e e nd e t a i l e ds t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e r so fe n d o t h e l i a lc e l l se x p o s e do ns h e a rs t r e s sa r e a n a l y z e di nd e t a l la n dt h e nt w on o v e lp a r a m e t e r sa r es u g g e s t e d t h e ya r en a m e d v o a ( v e l o c i t yo fo r i e n t a la n g l e ) a n dv l ( v e l o c i t yo fm a j o ra x i sl e r ，g t h ) a n dc a n r e f l e c tv e l o c i “i nc e l l u l a rm o r p h o l o g i c a l c h a n g e s i m a g es e g m e n t a t i o np l a y sak e yr o l ei ni m a g ea n a l y s i sa n di t i sa l s ot h em o s t h a r d l ys t e pi ni m a g ep r o c e s s i n gp i p e l i n e a sf o ra l lt h en b n o v e r l a p p i n gi m a g e s o n e m e t h o dw h i c hh a se i g h ts t e p sb a s e do nd i f f e r e n c ea r i t h m e t i co p e r a t o r si sp r o p o s e d ， i m a g ee n h a n c i n g ，i m a g eg r a y i n g ，h a l a t i o nr e m o v i n g ，c a n n ye d g e d e t e c t i o n ， m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g yd i l a t i o n ，e d g ps m o o t h i n g ，m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g i c a l r e c o n s t r u c t i o na l ei m p l e m e n t e d a c c o r d i n g t ot h es e ts e q u e n c e a sf o ra 1 1t h es e r i o u s l y d v e r l a p p i n gi m a g e s a n o t h e rm e t h o dw h i c h h a ss e v e ns l e p sb a s e d 0 1 1w a t e r s h e d c f a n j f o r mi sp u tf o r w a r d t h e s ea t e p si n u l t ia r ei m a g ee n h a n c i n g t t r i a g eg r a y m g 、 m o r p h o l o g i c a l1 l l u m i n a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g i c a l r e c o n s t r u c t i o n d i s t a n c e t r a n s f o r m ，m a r k e ri m a g ee x t r a c t i o n w a t e r s h e dt r a n s f o r m 0 1 y m p u s1 x 7 0p h a s ec d n w a s ti n v e r t e dm i c r o s c o p ei s u s e dt oo b ；e r v ec e l l u l a r i m a g e sa n d t w om e t h o d s a f c a p p l i e dt oc a p t u r ed i g i t a ! i m a g e si n t h ec o n s t r u c t i o n 威 i m a g ep r o c e s s i n gh a r d w a r e o n e i s t h r o u g hv i d e oc c d ( 1 y e c 6 8 0 一e c ) e q u i p p e d w i t hi m a g ec a p t u r eb o a r d ( v i g a9 0 0 0 r ) t h eo t h e ri st h r o u g hp r o f e s s i o n a ld i g i t a l c c df o rm i c r o s c o p y ( p i x e r a1s o e s ) as y s t e mf o ra u t o m a t i cc o n t r o i1 l l u m i n a t i o n o f m i c r o s c o p e 溶s e tu p w h i d 、c o h lp u tt b r e m g ht h ei l l a m i n a l i o op o w e ro fm i c r o s c o p e a c c o r d i n g t ot h es e t c a p t u r e s c h e d u l ea n dw i l l h e l p d e c r e a s et h e1 0 3 s0 f t h e m i c r o s c o p e l sb u l b a n dt h ei m a g e sc a nb ec a p t u r e di n am a n n e ro fs i n g l ef r a m o f l a m e b y f r a m eo rv i d e os t r e a m ， t h ec e l l u l a rm e c h a n i c a le x p e r i m e n t a li m a g e p r o c e s s i n gp l a t f o r mi sd e v e l o p e d h yu s i n gv i s u a lc 抖6 0f m i c r o s o f 0p r o g r a m m i n gt a r t g u a g e n l sa ni o t e g r a t e d s o f t w a r e p a c k a g e ，w h i c hi n t e g r a t e si m a g ea c q u i r i n g ，f i l e s m a n a g i n g ，i m a g e p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i n g ，p a r a m e t e rm e a s u r i n ga n dr e s u l to u t p u t t i n gt o g e t h e r b e c a u s eo f i e m a o b j e c tp r o g r a m m i n g o o ns k i l l sa r ea p p l i e dl ot h i ss y s t e m ，t h e m o d u l e si nt h i s p a c k a g ea r ee a s y t t 3 a c c o m p l i s hf u n c t i o n a le x p m a d i o ga n dc o d e i m p l a n t i n g e n o r m o u sc e l l u l a ri m a g e sa r ec a p t u r e dt h r o u g ht h i si m a g e p r o c e s s i n gp l a t f o r m a n dt h er e s u l t ss u g g e s tt h a tv i d e oc c ds c h e d u l eh a sa d v a n t a g e si 1 1c a p t u r i n gv i d e o s l r e a mw i t ht h ed i s a d v a n t a g e si nt h ei m a g er e s o l u t i o n 。a n dd i g i t a lc c d sv e r yu s e f u l i n c a p t u r i n g s t i l lc e l l u l a r i m a g e b e c a u s eo fi t s r e l a t i v e l yh i g h r e s o l , , t i o n ，h i g h s e n s i t i v i t ya n dl e s s d a t al o s s ，t h es u p e r p o s i t i o no ft h ep r o c e s s e di m a g eb ye i t h e r s e g m e n t a t i o ns t r a t e g yo n t h eo r i g i n a lc e l li m a g ei n d i c a t e st h a tt h et w om e t h o d s a r e u i t a b l e b yw i n gd e v e l o p e di m a g ea n a l y s i ss y s t e m ，t h em o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e r o f 疆a o r t i ce n d o t h e l i a lc e l l s ( a a e c s ) e x p o s e d 幻p a t h o l o g i c a lp u l s a t i 2 ef l u i ds h e a r a r em e a s u r e da n dt h er e s u l t ss h o w t h i nt h ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mc a l 3 , b eu s e dt a r q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s o f c e l l u l a rm o r p h o l o g y p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：c e l l u l a rb i d m e c h a n i c s ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，q u a n t i t a l i v ea n a l y g i s w a t e r s h e dt r a n s f o r m ，m o r p h o l o g i c a lr e c o n s t r u c t i o n ，s h e a r s t r e s s ， 州j 1 1 人学博i ：学位论史 l 绪论 细胞力学是研究细胞和力学因子的相互作用的科学，是生物力学发展到 细胞水乎而出现的一个分支，是组织工程不可或缺的基础。由于在体研究非 常复杂，目前一般是通过体外模拟实验的方法丌展细胞力学研究工作。经过 2 0 多年的发展，细胞力学研究取得了令人瞩目的成就， 丑是对于力学刺激与 细胞生理行为的关系的认让 ，还不是十分全面。细胞在力学刺激下，其形态 公发，i ：适应性变化。细胞形念上的变化，预示并且隐含着细胞结构和功能上 的变化：定量研究力学因子与细胞形念变化的关系，有助于理解细胞的生理 行为也有助于理解相关疾病的发病机理。数字化技术的蓬勃发展和图象处 理技术的只趋成熟，为细胞的力学形态学定量分析提供了可能。本文试图将 数字化技术和图象处理技术应用于细胞的力学形态学分析，建立细胞力学实 验图象分析系统，为定量分析细胞在力学刺激下的形态学变化提供一个孥实 f 一、卜台。 1 1 细胞力学研究 1 ，l l细胞力学简介 细胞是生命的实体和生命的基本单位几乎所有的有机体都是山细胞和 细胞的产物所组成。而力学环境是自然赋予生命体的一种生存环境。这一环 境相当复杂，包括生物体外的力，如重力、空气动力等，包括生命运动中产 t 卜的体内各组织、细胞之间的相互作用力，如牵张、剪切、拉压力，包括细 胞骨架产生形成和变化时产生的细胞内张力。这些力相互作用，构成了一个 力学系统。细胞的形态结构和功能，细胞的生长、发育、成熟、增殖、衰老、 死l _ = = 以及癌变，细胞的分化及调控机理，都和细胞的力学特性有关。为了更 好地理解细胞的组织原则、结构一功能关系和调节机制，就必须结合力学的 方法对细胞加咀研究。 细胞力学( c e l l u l a r b i o m e c h a n i c s ) 研究与细胞有关的力学问题，它不仅 赴力学的一个分支，而且是生物医学工程的一个重要组成部分1 1 。细胞力学 足研究细胞和力学因子的相互作用的科学，是细胞生物学和力学相结合而产 蚪川人孝博：i j 学位论文 7 的科学。u ，以如下定义细胞力学：运用工程科学和生命科学的原理和方法 水理解正常和病态细胞的结构和功能的关系，以及丌发生物静代物来恢复细 胞的功能口j 。这个领域的一个基本目标是理解机械力因子和活组织细胞的功 箍的关系，特惑是组织，圭长，降解和苒生这些过程车n 力学丽予的关系。近年 术随着细胞生物学、分子生物学的 叭新月异的发展，特别是f ：个世纪最后 2 0 年，随着组织工程的兴起，涌现出了许多新的实验手段，细胞力学取得了 令人瞩日的进展。 组彭l 工程是近f 一年来兴起的一个阿沿领域。年细胞力学佯它也是生 物医学1 ：程领域中一个新方向，是技术科学和生命科学两大领域中的众多学 科，如生物j ：程、分子生物学、细胞! e 物学、生物材料、生物化学、生物力 学和犏溶医学等学科问的不断交叉、渗透与融合而形成的新的附沿科学， 1 9 8 7 年荚国科学基余会在华盛顿举办的生物工程小组会上，提出组织工程学 这。名词。1 9 8 8 年组织工程被定义为：“它应用生命科学与工程科学的原理 j 方法。在可控、可重复条件下，通过哺乳动物、人类( 包括患8 1 - 自身) 特 定细胞在恻格构架的体外培养及体内移植，形成县有特定助能的组织和生物 许代物”。组织工程的目标是培育乃至大规模生产具有生物活性的人体组织、 器官的替代物，束恢复、维持或则提高组织、器官的功能，从报本上解决人 体组织、器官的病变、缺损问题，因而其具有j “阔的应用前最和巨大的经i 齐 价值。 组织工程的巨大的应用前景，刺激着世界各地的科学家投入大量的物力、 人力、财力来对其进行漯入研究，要想实现缎织工程的既定耳拓。必须解决 i 个基本问题：解决对正常的和病理的哺乳动物组织、器官的结构与功能之 的关系的定性和定量认t 问题：在可控和可重复的条件下，解决特定细胞 体外培养形成具有生物活性和相应功能的的人工替代物问题：解决体外培 养的组织植入人体后与周边组织、器官的整合和相互作用问粒， 在这三个基本问题中，力学因予扮演着重要的角色。细胞力学j f 是研究 力学因子和细胞的生长发育和组织器官的功能发挥的关系问题的科学。细胞 见学是组织工程不可或缺的基础，无论从科学基础层殛还是从工程技术是面 来看，组织工程研究中的细胞力学问题都是一个不可回避的问题。具体而言， 组织工程中的细胞力学研究主要涉及以下几个方面： 阳川大学陴： ：学位论义 1 组织、器官在体力学环境的分析和在体力学环境体外模拟( 调控) ： 2 应力细胞发育、增殖、分化的关系； 3 细胞材料表面之间的r e e c h o c h e m i c a le f f e c t s ； 4 细胞黏附、变形、运动的力学规律； 5 离体培养组织植入体内后和机体组织的相互作用： 6 细胞组织三维培养系统的流动和传质规律： 7 离体培养组织的力学性能及其自然组织性能的比较等。 。可见，细胞力学研究是组织工程中的一个重要内容，组织工程的发 j 建为钏咆力学_ 丌：辟了一个新天地。组织工程的巨大商用价值，极大地推动了 钏胞力学的发展，使力学和生命科学真正的结合在一起。 i 2细胞力学研究及其进展 细胞力学研究可以追溯到早期的科学家们和思想家们的工作，他们提出 牛 乏足受力控制的。1 6 3 8 年g a l i l e og a l i l e i 提出这样的假设：重力和机械力 瞅制了活组织的生长和结构。】6 6 5 年r o b e r th o o k e 在其文章“m i c r o g r a p h i a ” g i 第次使用“c e l l ”这个单词来描述构成器官的最基本的成分。1 8 9 2 年， j u l i u sw o l f f s 的关于骨的小梁结构和功能的论文，深刻地描述了骨的结构和 它承受的应力的关系。 ，l 一先，细胞力学的研究主要体现在细胞层次，研究集中于红细胞、白细 胞、血小板、内皮细胞、平滑肌细胞和成骨细胞等的生物力学特性研究。研 究它们在力学作用的变形以及形态改变与功能的关系，研究他们的生物力学 模型，研究它们的力学属性，研究血液细胞的滚动和黏附的规律，以及探索 挑述细胞运动、变形的理论。在过去的2 0 年里，由于引进了新的生物技术和 i f ：程技术，细胞力学经历了革命性的发展。微吸管操作、激光钳和原子力显 微镜的出现，为解决了皮牛( p i c o n e w t o n ) 级和纳米级的力和变形问题提供了 于段。计算能力的快速增长，解决了十年前还认为不可能的数值模拟问题。 分于生物学的出现，为这个学科提供了更为广阔的空间。这些先进的生物技 术和工程技术的引进，使得细胞力学研究领域经历了快速发展，细胞力学的 研究已步入亚细胞层次和分子层次。 概括起来，世界各地的研究人员对细胞力学的研究主要涉及如下这些方 列1 1 人半博 ? 半啦论文 翱： 【_ 应力与细胞形态的关系研究。多个研究者的【作已经证明，应力的 f # 谯会改变细胞的形态。例如，红细胞在静态时，形状想一个双面凹的圆盘， i u 订；受到 1 3 3 n m 1 的切应力时，变成椭球形椭球的长轴与流向平行。而血 倚内皮细胞铂。静态时晕无规则的鹅卵石排列，在流体剪切力作用下，内皮细 胞。+ ! 梭彤，其氏轴也与流场方向平行。更进一步地不同的流动具体形式对内 发细胞形念的影响也不一样。k a t a o k a 等人在研究流动方向对培养的牛主动 脉内皮细胞( b o v i n ea o r t i ce n d o t h e l i a lc e 蛆s ，b a e c s ) 的形念影响时，发现在单 i 流作用下，细胞明显向着流动方向延长，而在交错流和正交流作用下，延 长稚度不如即向流下那么剧烈。在交错流f 大多数细l 色 沿着流动方向排列， m 往1 1 交流作用下，细胞大体与流动方向呈4 5 度排列，且具有很大的标准差 3 1 。h e l m l i n g e r 等人发现，与定常流下的变化相比，b a e c s 在非往复的l h z i f ：弦剪切流4 0 2 0 d y n e s c m 2 作用下形状变化较慢但细胞延长度较大，在1 h z 的往复诈弦剪切流1 0 1 5 d y n e s c m 2 作用下形状变化较慢且细胞延长度较小， 盔i h z 的往复诋弦剪切流2 0 4 0 d y n e s e r a 2 作用下细胞不能保持贴壁2 4 小 叫，在1 h z 振荡剪切流( 包括0 2 0 d y n e s c m 2 ，0 4 0 d y n e f f c m 2 ) 作用下细 眦的形态与静态情况下一样呈多边形状【4 i 。c h i u 等人发现人体脐静脉内皮细 j 地( h u m a nu m b i l i c a lv e i ne n d o t h e l i a lc e l l s ，h u v e c s ) 在扰动流作用下，在回流 i x ：( r e a t t c h m e n tr e g i o n ) 区细胞呈圆形，而即使在属于往复流区域的高剪切力 区，细胞也表现为明显拉长而且出现方向性重排【5 】。k a p u r 等人发现在静水 岖流作用下人体脐静脉内皮细胞( h u m a n u m b i l i c a lv e i ne n d o t h e l i a lc e l l s ， h u v e c s ) 韵面积、形状、f 胍动蛋臼的分布和缨胞约黏附强度都依赖于壁 m f 剪切力的幅度( 6 1 。t a r d y 等人在探讨由于表面隆起引起的剪切力梯度对人脐 静脉内皮( h u v e c s ) 细胞单层的细胞迁移史的影响时，发现了朝向小剪切力梯 度方向的细胞网状迁移( n e tm i g r a t i o n ) 【7 】。d e p a o l a 等人发现离体培养的 b a e c s 也有向远离回流区( 此处剪切力较小但剪切梯度很大) 的方向迁移的 趋势，在流体的下游区这种趋势尤其明显【刖。z h a o 等人的研究表明流体剪切 力和圆周的周期性拉伸的复合作用下动脉内皮细腿的拉长程度比没有切应力 的对照组大1 。 2 应力与细胞功能的关系研究。应力影响细胞的形态，而细胞的形态 p u 川大学博l ：g a 位论直： 又影响细胞的功能。比如红细胞的变形性就是血液运输气体的先决条件。不 仪如此，从现有研究成果看来，应力本身直接影响细胞的功能发挥。切应力 埘血管内皮细胞功能的影响就是多方面的。包括细胞的吞饮作用，血管活性 物质( 如前列腺素p g l 2 ，n o ，内皮素e t ) 的合成分泌，血凝和纤溶调节功 能，细j 胞内钙离子变化等都有影响。d e v i e s 等就发现切应力的变化可显著影 响内皮细胞吞饮囊泡的形成速率，吞饮速率的变化与切应力的大小和作用时 问有关，并且具有适应性，一定频率的切应力可以导致吞饮速率升高并且维 持和：高水平i l “。s p r a q u e 发现高剪切力显著提高低密度脂蛋向( l d f ) 对内皮细 j m 的结合、摄入和降解，特别是受体介导的摄入【i t l 。g r a b o w s k i 发现在阶跃 式的切应力作用下，b a e c s 的p g l 2 的分泌出现一个峰值，此后分泌量逐渐 f 降，p g l 2 的初始分泌峰值与切应力大小有关，但累积分泌量与切应力大小 无关。切应力还能使内皮细胞分泌的血管扩展因子n o 增多，切应力的变化 能迅速引起内皮细胞的收缩因子e t 1 的生成和m r n a 表达的变化【l ”。切应 力还能促进具有促纤溶作用的组织纤维蛋白溶酶原活化因子( t p a ) 的分泌，影 响具有促血凝作用的内皮细胞p a i 1 的分泌。g e i g e r 发现在阶跃式的切应力 对内皮细胞【c a 2 + 】的影响规律类似于其对p g l 2 的影响规律【】。 3 细胞的力学模型的理论研究。对各个层次的结构一功能关系的定量规 律朐认识，一直是生物力学的研究方向。9 0 年代，已深入到细胞、亚细胞层 次，并形成热点- - - m e c h a n o c y t o b i o l o g y 。采用连续介质力学的研究方法研究 细胞的力学行为，虽然存在连续性假设的适用性问题，但也已经取得一些成 粜。采用连续介质力学的研究方法研究细胞的力学行为，常把细胞看作是均 匀的连续体。目前主要有张力理论、小变形理论、大变形理论和主动变形理 论。e v a n s 和s k a l a k 采用张力理论分析了黏附与壁上红细胞的变形行为”“。 1 ：l i n g 研究了血流剪切作用下的血管内皮细胞膜的受力情况l l ”。张力理论没有 涉及细胞的本构方程。只研究细胞膜的受力情况及细胞之州的连接。由于活 细胞具有明显的粘弹性行为，一般采用m a x w e l l ，v o i g t 或标准的线弹性固体 模型( k e l v i n 体) 予以描述细胞的小变形。s a t o 等在考察内径非常小吸管吸附 细胞产生的变形时，建立了半无限体模型( h a l f - s p a c em o d e l ) ，认为细胞可以 看作是具有皮质层厚度的平板【m 】。d o n g 提出了具有常张力皮质层的m a x w e l l 液滴模型( m a x w e l ll i q u i d d r o pm o d e lw i t hac o n s t a n tc o r t i c a ll a y e r ) ，来研究白 州川人学僻1 学位论卫 细胞的被动变形i i “。f u n g 针对红细胞膜面积变化很小但可以发生大变形的特 点，建立了红细胞的本构方程i 憎】。c h e n g 将细胞看作是包含不可压缩流体的 轴对称壳体结构，建立了计算细胞犬变形的变分原理及有限元硌式，并且考 瞧了细胞主动变形的影响1 1 q m i 。d o n g 将常张力应质层的m a x w e l l 液滴模型 推广到大变形情况，对吸入吸管的白细胞进行了大变形的有限元数值模拟。 细胞的变形不仅包括被动变形还包括主动变形。目前对白细胞的主动变形的 趼究较为集中1 2 】。s c h m i d s c h o n b e i n 和s k a t a k t 2 z l 黝耶l 动蛋白聚合摸型，o s i e r 和p e r e l s o n l 2 3 的渗透压模型，以及z h u 和s k a l a k 对伪足尖端产生驰动力的生 化机制的研究，给出了白细胞伪足回缩运动的一维简单模型【2 5 1 1 2 6 1 。s i m o n 等挝出了测量细胞主动大变形的实验方法l ”i 。 4 细胞的力学特性研究。细胞黏附是许多字物过程( b i o l o g i c a lp r o c e s s ) 巾重要的现象，研究人员对这个方面的投入很大，建立了许多数学模型，这 使得高度定量化分析特定的细胞过程成为可能。总的来说，有三种类型的模 j 姒运动学模型、热动力学模型和力学模型i 2 8 1 。这些模型总的晓泉，是十分 复杂而且有许多参数的，而且仍然是理想化的，依赖于许多假设。后来人们 认以到细胞黏附是受很少量的受体一配体键( r e c e p t o r l i g a n db o n d s ) 调节的。 k a p l a n s k i 等【2 9 j 和a l o n 等1 3 。j 的工作发现细胞在流室中表现为走走停停地颠 簸运动，而且运动的速度具有很大波动性，这表明小绒别( s m a l ls c a l e ) 的黏 附是一。个随机事件。1 9 9 0 年，c o z e n s r o b e r t s 等首次将小系统运动学的概率 理沦用柬解决细胞黏附问题【3 i 。s a t o 等人用a f m 配合共聚焦扫描电镜研究内 皮细腿的彤叁学和力学属性，使用缨艇凹进深度( c e l ti n d e n t a t i o nd e p t h ) 6 划画细胞的外部力作用下的形态上的反应i i ”】。c b a r r a s 等使用a f m 和共聚焦 娃微镜研究细胞骨架( c y t o s k e l e t o n ，c s k ) 对不同的应变幅度和不同的应变性 质的反应【“。r a d m a c h e r 使用a f m 研究细胞的弹性属性0 ”。s u g a w a r a 等 a f m 研究猪o h c s ( o u t e r h a i r c e l l s ) 的力学属性后，发现细胞顶点区域的 力学属性比其他基底和中间区域大3 倍多i l “j 。 5 力学因子与其他影响因子的耦合对细胞的影响。细胞的形态、结构、 瑰能不是仅仅受力掌园子的影嗡韵，生物材料、生物化学的等圆素都占有重 要的地位，因此，研究多种因素的耦合对细胞形念、结构和功能的影响很重 要。例如纲胞外基质( e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ，e c m ) 作为细胞黏附的基底，其力 p u 1 1 人学博l j 学位论文 学特性同样会对细胞的变形和细胞预应力产生影响。在体研究表明，e c m 通 过与整合蛋自受体的相互作用影响了许多细胞的功能。e c m 的局部刚度可能 受到以下因素的调节：蛋白质的合成降解，黏附细胞的收缩，以及压力和流 体流动。t o m c z o k 等口副研究四种基底材料( 玻璃、f e p t e f l o n 、聚乙烯、聚 闪烯) ，对多形核颗粒自细胞黏附的影响。s i r o i s 等研究不同培养基对种植的 内皮细胞的脱落的影响和分析细胞形态学变化 3 3 1 。 6 细胞的力学感应机制的研究。如前所述，力学圈子对细胞的形态、 功能都有许多影响，但是细胞究竟是怎样感知力学信号，从而在形念上和功 能 ：引起耳1 1 应的反应这个问题，属于细胞的力学感应机制问题。世界各地的 研究人员提m 了各种各样的生物物理和生物化学假设，柬解释细胞怎样感知 机械力和机械力怎样影响细胞的功能1 3 4 1 3 3 1 。现在越来越多的事实表明，可变 形的细胞骨架( 丝状生物大分子相互连接构成的一种网络结构) ，提供了转换 机械力学信号为化学信号的物质基础 3 6 l 。对于机械力怎样调节细胞的功能， 细胞怎样对c s k 卜的力平衡变化作出反应和整个c s k 网络内力的传递以及 c s k 达到力平衡的机理，目前已有大量的研究文章发表p “口“。其中对内皮细 】旭的力学传递信号过程的研究，积累了大量的资料，现在大体认为这罩面涉 及力学信号的传递( t r a n s m i s s i o n ) 和传导( t r a n s d u c t i o n ) 过程。细胞骨架作为细 胞内张力框架，通过与膜上分子的直接联系，将力学受体上的分子扭曲力在 细胞内传递分响i ，再经过效应分子的扭曲力变化将力学信号最终表现在响应 点 = ，即传递过程包括：被动地将力传递给细胞骨架，细胞骨架发生重排和 远离力学作用点部位对骨架张力改变作出响应，从而完成力学信号的传递。 嗣时，力学信号可以改变信号分子的行为，使力的信号以级联生物反应的方 式在细胞内传播。许多途径可以参与力学信号的传导过程，如膜上离子通道 的变化【3 9 1 ，g 一蛋白藕联的信号途径，转录水平的调节与应力响应元件。目前 对力学信号传递过程的研究，尚无法把整个过程的所有问题回答清楚，这也 l f 足力学信号传递机制复杂而又迷人之处。 总之，细胞力学涉及到细胞在载荷作用下细胞、细胞膜、细胞骨架的变 形、弹陛常数、粘弹性、黏附力等力学性能的研究，以及力学因素对细胞生 长的影响等等，今后细胞力学的研究将围绕细胞怎样运动、变形和相互作用 以及细胞怎样感知机械力、怎样产生机械力和对机械力产生怎样的反应等问 u4 川人学博i 学位沦卫 题展丌。 1 1 3 细胞力学研究的实验方法 7 匕物体组织和器官结构的复杂性以及生物体个体之间的差异性，导致在 体( i nv i v o ) 细胞的力学环境复杂多样这使得人们不可能进行大量的在体细 j 赶力。学行为研究。因此，一般都是通过特定的实验方法，模拟体内某种或者 粜儿刊r 力学条件，对体外( i nv i t r o ) 培养的细胞进行研究：【作。 在离体培养细胞的力学实验方法研究领域，g l u c k s m a n n ( 1 9 3 9 ) 4 0 1 进行了 ”打诧e 的研究，将鸡胚胎胫骨内膜细胞培养在成对的肋| - 白j i ：1 肌基质上，当肌肉 组织萎缩，使肋骨彼此靠近后，离休培养的细胞受到压力作用。多年来经 过4 i 断的改进和发展，人们提出了多种离体培养细胞的力学实验方法，研制 h l